Đề tài Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho nhà máy xi măng lò đứng

Mở đầu Trong những năm gần đây, công nghiệp thế giới đã phát triển đến trình độ kỹ thuật cao, tích luỹ cơ bản của xã hội lớn và con người cũng đã có ý thức về phát triển có tính chất cộng đồng và lâu dài – sự phát triển bền vững của xã hội. Và mối quan hệ giữa “phát triển kinh tế ” và “bảo vệ môi trường” đã nhận được sự quan tâm sâu sắc, đặc biệt là mối quan tâm của các nước đang trên đà công nghiệp hoá và hiện đại hoá. Sự nghiệp công nghiệp hoá đòi hỏi sự phát triển của nhiều ngành công nghiệp. Trong đó ngành công nghiệp xi măng là một trong những ngành công nghiệp quan trọng cần được đầu tư phát triển mạnh và nhanh mới đảm bảo được nhu cầu xi măng để xây dựng cơ sở hạ tầng và các cơ sở sản xuất trong cả nước. Tuy nhiên ngành công nghiệp xi măng là một trong những ngành công nghiệp gây ra lưọng thải lớn và gây tác hại đến môi trường và sức khoẻ con người. Do đó, để phát triển bền vững ngành công nghiệp xi măng cần thiết phải có bước đánh giá toàn diện về sự phát triển của công nghiệp xi măng cũng như những ảnh hưởng môi trường và đề ra những biện pháp phòng ngừa và giảm thiểu ô nhiễm trong công nghiệp xi măng. Phần 1 Tổng quan về công nghiệp xi măng lò đứng ở Việt Nam I.Giới thiệu chung về ngành xi măng ở Việt Nam. Ngành công nghiệp xi măng ở Việt Nam ra đời từ cách đây hơn 100 năm. Bắt đầu từ nhà máy xi măng đầu tiên ở Hải Phòng, bước ngoặt là sự ra đời 2 nhà máy xi măng lò quay Hoàng Thạch và Bỉm Sơn, đến nay đã xuất hiện các nhà máy xi măng với sản lượng hơn 1 triệu tấn/năm. Hiện nay, công nghiệp xi măng ở Việt Nam đang áp dụng 3 loại dây chuyền công nghệ chính sau: Công nghệ xi măng lò đứng. Công nghệ xi măng lò quay phương pháp ướt. Công nghệ xi măng lò quay phương pháp khô. Các nhà máy xi măng lò quay có công suất lớn, dây chuyền thiết bị hiện đại, do đó có chất lượng xi măng tốt, mác cao, chiếm được lòng tin của khách hàng. Trong khi đó, với xi măng lò đứng, hàm lượng vôi trong clinke còn cao, dao động từ 1%-3%, khi có sự cố của lò có thể lên đến 5%-10%. Tuy nhiên công nghệ xi măng lò đứng có kết cấu đơn giản, đầu tư thấp hơn nên vẫn được sử dụng ở Việt Nam. II.Quy trình công nghệ và dòng thải 1. Một số đặc điểm và chức năng chính trong công nghệ sản xuất xi măng: Giai đoạn Đặc điểm,chức năng Gia công nguyên,nhiên liệu Đá vôi, đất sét, thạch cao, các loại phụ gia xi măng và than được đập, cán, sấy đạt tiêu chuẩn yêu cầu rồi vận chuyển vào silo hoặc kho chứa Nghiền phối liệu Nguyên liệu được khuáy trộn theo tỉ lệ thích hợp sau đó được nghiền mịn đạt độ mịn 10% trên sàng 008. Nung clinke -Phối liệu sau khi được nghiền mịn được làm ẩm và vê viên thành những viên có kích thước 8-12 mm trước khi đưa vào lò nung. -Quá trình nung phối liệu trong lò dưới tác dụng của nhiệt độ cao, các cấu tử trong phối liệu phản ứng với nhau tạo thành các khoáng chính có trong thành phần Clinke xi măng đó là: 3CaO.Al2O3(C3A), 2CaO.SiO2(C2S), 3CaO.SiO2(C3S) và 4CaO.Al2O3.Fe2O3(C4AF). ủ clinke SAu khi qua giai đoạn làm lạnh, clinke được ủ trong kho hoặc silo chứa thời gian khoảng 10-15 ngày để CaO tự do còn lại trong clinke phản ứng với nước trong không khí tạo thành Ca(OH)2 nở thể tích làm cho clinke dễ nghiền và xi măng không nở nữa, như vậy làm tăng chát lượng xi măng . Nghiền xi măng Clinke được phối trộn với các loại phụ gia xi măng và thạch cao theo công thức phối liệu cuă xi măng và được nghiền đạt độ mịn 12% còn lại trên sàng 008 rồi qua thiết bị phân ly, sau đó vào silo chứa Đóng bao xi măng Xi măng có thể xuất rời bằng công ten nơ, ô tô si tec hoặc đóng bao 50kg 2.Các nguồn thải trong công nghiệp xi măng lò đứng. 2.1.Chất thải khí a. Bụi Bụi nói chung sinh ra ở hầu hết các công đoạn sản xuất trong 1 dây chuyền sản xuất xi măng : Gia công nguyên liệu, đập nghiền sản phẩm. Vận chuyển, bốc dỡ nguyên liệu. Bụi trong khói lò nung. Trộn phối liệu, vê viên. Đóng bao sản phẩm. Bụi sản sinh trong quá trình sản xuất xi măng chủ yếu là bụi than, đất sét, đá vôi, thạch cao, xỉ pirit, clinke, xi măng. Lưọng bụi phát sinh tuỳ theo công suất và trang thiết bị của nhà máy. Nói chung các nhà máy xi măng mới xây dựng gần đây là các nhà máy lò quay khô, dây chuyền thiết bị hiện đại, có lắp đặt thiết bị xử lý bụi. Đối với xi măng lò đứng, trước 1990 không có nhà máy nào có thiết bị lọc bụi, từ 1990 đến nay mới có các nhà máy có xử lý bụi hoặc lắp đặt thêm tại các nhà máy cũ. b.Khí thải độc hại(COX,SO2, NOX, HF…) Trong quá trình nung clinke, việc đốt nhiên liệu ( than, dầu, khí đốt), Các chất hoá học có trong nhiên liệu như C, N, S, H…sẽ tác dụng với oxy không khí sinh ra lượng lớn khí thải độc hại (COX,SO2, NOX, HF…) thoát ra theo đường ống khói gây ô nhiễm môi trường.Ngoài ra, quá trình sấy nguyên liệu, nhiên liệu cũng sinh ra các chất thải trên. Nguồn sinh CO và CO2: chủ yếu do 2 nguồn +Do cháy nhiên liệu có chứa C Cacbon là thành phần chính của tất cả các loại than. Do đó quá trình đốt than chính là quá trình phản ứng của C với O2, H2O trong không khí. - Phản ứng với O2 C + O2 = CO2 2C + O2 = 2CO Phản ứng với hơi nước C + H2O = CO + H2 C + 2H2O = CO2 + 2 H2 - Phản ứng với các sản phẩm khí ở trên C + CO2 = 2CO C + 2H2 = CH4 + Do quá trình phân huỷ Cacbonat ở nhiệt độ cao Trong thành phần nguyên liệu có chứa các loại Cacbonat và sunfat…Các chất này sẽ bị phân huỷ nhiệt trong lò nung CaCO3 = Cao + CO2 MgCO3 = MgO + CO2 2CaSO4 + C= 2CaO + 2SO2 + CO2 Nguồn sinh khí SO2 : do 2 nguồn + Do quá trình đốt than trong lò S + O2 = SO 2 + Do phân huỷ nguyên liệu Các nguyên liệu để sản xuất xi măng đều có chứa lưu huỳnh dạng S, CaSO4, K2SO4, CaS, Na2S, CS2,…Trong quá trình nung clinke tại vùng nung, với nhiệt độ từ 900-1450, sẽ xảy ra các phản ứng của các chất trên tạo SO2: 2Na2SO4 + C = 2Na2O + 2SO 2 + CO2 2K2SO4 + C = 2K2O + 2SO 2 + CO2 2CaSO4 + C = 2CaO + 2SO 2 + CO2 CS2 + 3O2 = CO2 + SO2 S + O2 = SO2 Nguồn sinh NOx: Do quá trình đốt than NOX chủ yếu là NO và NO2, sinh ra từ 2 nguồn chính: +O2 và N2 không khí tác dụnh với nhau theo phản ứng thuận nghịch: O2 + N2 = 2NO NO + 1/2O2 = NO2 +O2 không khí và N trong thành phần nhiên liệu phản ứng với nhau. Khí HF chỉ sinh ra trong các lò phản ứng xi măng khi sử dụng các hợp chất chứa F làm phụ gia khoáng hoá cho quá trình nung luyện. 2.2. Nước thải. Nước thải trong quá trình sản xuất xi măng bao gồm: Nước thải sản xuất. Nước thải sinh hoạt. Nước mưa chảy tràn. a.Nước thải sản xuất - Nước từ các công đoạn làm mát máy, bao gồm nước làm mát ngoài vỏ máy chứa bụi và nước làm mát ổ trục chứa dầu mỡ, nhiệt độ cao. - Nước thải sản xuất từ quá trình nghiền nguyên liệu chứa bùn và nhiều tạp chất rắn, trong đó có các kim loại như sắt nhôm, silic. - Nước thải rửa sân, khử bụi…chứa tạp rắn và các loại tạp bẩn khác. b. Nước thải sinh hoạt Là nước thải từ các hoạt động phục vụ đời sống như tắm rẳ, ăn uống, nhà vệ sinh…chứa hàm lượng chất hữu cơ, rắn lơ long, chất dinh dưỡng, vi trùng… c. Nước mưa chảy tràn: Nước mưa chảy tràn vào các khu vực khai thác nguyên liệu hay khu vực nhà máy cuốn theo các chất rắn và xi măng, đất cát, dầu mỡ… 2.3. Chất thải rắn a.Chất thải rắn sản xuất : chủ yếu là bao bì, giấy phế thải, đất cát rơi vãi và xi măng đóng rắn. Chất thải hữu cơ có thể tái sử dụng, chất thải vô cơ ít gây nguy hại, chỉ có lượng nguy hại là gạch chịu nhiệt có chứa Crom loại ra từ lò nung do sửa chữa hàng năm. b. Chất thải rắn sinh hoạt: Thải ra từ hoạt động sinh hoạt của công nhân. 2.4.Tiếng ồn Tiếng ồn phát ra từ các khâu gia công cơ học, thường ở cường độ rất cao, đặc biệt là ở máy nghiền bi, máy đập… 2.5.Ô nhiễm nhiệt Công nghệ sản xuất xi măng sử dụng khá nhiều nhiêth năng, đặc biệt là tại lò nung, nhiệt độ lên đến 14500C. Tại các máy nghiền cũng sinh nhiệt do ma sát và va đập. Nhiệt truyền qua vỏ lò và khói lò vào môi trưòng. Tuy nhiên lượng nhiệt có thể được khắc phục bằng giải quyết thông gió tự nhiên, thông gió cưỡng bức, bằng bảo ôn, cách nhiệt… Đá vôi Than Đất sét Đập, cán Bụi, ồn Than Sấy Khói lò Phụ gia CaF2 Na2SiF6 Trộn, nghiền Bụi, ồn Nước Làm ẩm,vê viên Không khí Nung clinke (lò đứng) Khói lò(HF, CO, CO2, SO2, NOx) Thạch cao Phụ gia Xi hoạt tính Đập, sấy Trộn Bụi, ồn Đập, nghiền Bụi, ồn Đóng bao Bụi Thành phẩm Sơ đồ: Công nghệ sản xuất xi măng và các dòng thải Phần 2 Xác định tải lượng chất ô nhiễm khí cho nhà máy xi măng lò đứng: Sụ ủoà tớnh caõn baống vaọt chaỏt cho loứ nung Xổ pirit Than Khoõng khớ ẹaự voõi ẹaỏt seựt Khoựi loứ (CO2, Co, NO2, SO2, buùi, THC...) Clinke Nhửừng chaỏt khaực Loứ nung . Thaứnh phaàn hoựa hoùc cuỷa nguyeõn lieọu (%) : Caỏu tửỷ MKN SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO P2O5 ẹaự voõi 42,8 0,4 0,19 0,16 54,46 0,4 ẹaỏt seựt 5,37 68,1 16,5 8,12 0,87 0,68 Pirit 4,03 18,76 3,52 65,54 2,5 0,35 P.P.rit 23,52 5,9 4,77 2,8 33,23 8,53 13,42 . Tyỷ leọ phoỏi lieọu cho 1 Kg clinke: -ẹaự voõi:1,24 Kg/Kg clinke -ẹaỏt seựt: 0,297 Kg/Kg clinke -Xổ pirit: 0,017Kg/Kg clinke -Photphorit:0,032Kg/Kg clinke . Thaứnh phaàn hoựa hoùc cuỷa boọt lieọu: MKN SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO 35,05 13,39 3,373 2,406 43,44 0,613 . Thaứnh phaàn hoựa hoùc cuỷa than: C H O N S A W 72,38 0,92 1,95 0,25 0,5 22 2 A.Tớnh doứng vaứo: - Lửụùng than tieõu toỏn ủeồ nung 1 Kg clinke: Xt=0,19 Kg/Kg clinke - Lửụùng nguyeõn lieọu aồm vaứo loứ: Lửụùng nguyeõn lieọu aồm vaứo loứ ủửụùc tớnh theo coõng thửực sau: GWC = GC x 100 100 - WC Kg/Kg clinke -GC : Lửụùng nguyeõn lieọu khoõ vaứo loứ coự tớnh ủeỏn lửụùng buùi toồn thaỏt, ủửụùc tớnh theo coõng thửực sau: GC = GTC x 100 100 - aTT Kg/Kg clinke -Wc : ẹoọ aồm cuỷa phoỏi lieọu vaứo loứ. _GTC : Lửụùng nguyeõn lieọu khoõ lyự thuyeỏt vaứo loứ nung, ủửụùc tớnh theo coõng thửực sau: GTC = 100 – a x Xt x A 100 - MKNC Kg/Kg clinke -aTT :Tổn thất nguyên liệu cho lò phản ứng Vụựi phửụng phaựp ửụựt aTT =3-5%, Vụựi phửụng phaựp khoõ aTT =5-10% -MKN : Phaàn traờm chaỏt maỏt khi nung cuỷa phoỏi lieọu -A : Haứm lửụùng tro cuỷa than (%) -a : ẹoọ laộng ủoùng tro than trong loứ nung ( a= 0,8-1) Aựp duùng caực coõng thửực ủaừ neõu treõn vaứ giaỷ thieỏt: toồn thaỏt nguyeõn lieọu theo buùi ra ngoaứi laứ aTT = 0,5%(max) ẹoọ laộng ủoùng tro than trong loứ nung laứ a = 1 ẹoọ aồm phoỏi lieọu vaứo loứ WC = 2% Tớnh lửụùng khoõng khớ vaứo loứ : GB = V0 * a * g * Xt Kg/Kg clinke -V0 : Lửụùng khoõng khớ lyự thuyeỏt vaứo loứ nung, neỏu duứng nguyeõn lieọu raộn ủửụùc tớnh theo coõng thửực sau : V0 = -a : Heọ soỏ dử khoõng khớ (a = 1,05-1,15) -g : Khoỏi lửụùng rieõng cuỷa khoõng khớ (g = 1,293) B, Tớnh doứng ra I.Tớnh haứm lửụùng buùi thaỏt thoaựt trong quaự trỡnh nung luyeọn clinke: + Buùi do quaự trỡnh phaõn huỷy phoỏi lieọu: Gb = ( GC – GTC) x (1 – MKN x b x 0,01) Kg/Kg clinke -Gb : Lửụùng buùi thaỏt thoaựt do quaự trỡnh phaõn huỷy phoỏi lieọu (Kg/Kg clinke) -b : Mửực ủoọ phaõn huỷy hoaứn toaứn cacbonnat cuỷa buùi khoõng thu hoài (b = 0,3-0,6) + Buùi cuỷa tro nhieõn lieọu sinh ra GTRb = II. Tớnh haứm lửụùng khớ SO2 sinh ra do quaự trỡnh nung clinke xi maờng Tớnh haứm lửụùng khớ SO2 do quaự trỡnh ủoỏt than: Lửu huyứnh toàn taùi trong than coự tụựi 90% ụỷ daùng ủụn chaỏt vaứ 10% ụỷ daùng sunfua kim loaùi, hụùp chaỏt hửừu cụ. Khi ủoỏt, phaỷn ửựng chaựy vụựi oxy taùo thaứnh SO2. Lửụùng khớ SO2 sinh ra do quaự trỡnh ủoỏt than ủửụùc ủửụùc tớnh theo phaỷn ửựng vụựi hieọu suaỏt chuyeồn hoựa laứ 90%: MSO2 = 0,00171Kg/Kg clinke + Tớnh haứm lửụùng khớ SO2 do quaự trỡnh nung luyeọn clinke trong loứ nung: ẹeồ tớnh lửụùng SO2 sinh ra do quaự trỡnh nung nguyeõn lieọu ụỷ nhieọt ủoọ cao trửụực heỏt phaỷi tớnh ủửụùc lửụùng S coự trong nguyeõn lieọu ban ủaàu: Lửụùng lửu huyứnh coự trong nguyeõn lieọu ban ủaàu Nguyeõn lieọu Lửụùng Kg/Kg clinke Lửụùng lửu huyứnh % khoỏi lửụùng Khoỏi lửụùng Kg/Kg clinke Soỏ Kmol ẹaự voõi 1,24 - 1,488*10-4 4,65*10-6 ẹaỏt seựt 0,297 - 1,782*10-4 5,56875*10-6 Xổ pirit 0,017 4 6,8 x 10-4 0,19 x 10-4 Theo caực phửụng trỡnh ủaừ neõu, cửự 1 nguyeõn tửỷ S taùo ra 1 phaõn tửỷ SO2. Vỡ vaọy neỏu coi 100% lửu huyứnh coự trong nguyeõn lieọu deàu chuyeồn thaứnh SO2 thỡ coự theồ tớnh ủửụùc taỷi troùng khớ SO2 do nhieõn lieọu taùo thaứnh khi nung ụỷ mửực ủoù cao nhaỏt. Khi ủoự lửụùng SO2 sinh ra ủửụùc tớnh: M2SO2 = 0,002014Kg/Kg clinke Song caực phaỷn ửựng treõn trong thửc teỏ khoõng bao giụứ ủaùt ủeỏn hieọu suaỏt 100%. Vỡ vaọy taỷi lửụùng khớ SO2 thửùc teỏ coự theồ nhoỷ hụn giaự trũ tớnh. Vaọy toồng lửụùng khớ SO2 sinh ra do quaự trỡnh ủoỏt than vaứ quaự trỡnh nung nguyeõn lieọu ụỷ nhieọt ủoọ cao laứ: MTSO2 = M1SO2 + M2SO2 = 0,003724Kg/Kg clinke III.Tớnh lửụùng khớ NOx sinh ra do quaự trỡnh ủoỏt than: Vieọc hỡnh thaứnh caực khớ NOx trong quaự trỡnh ủoỏt than trong loứ dieón ra raỏt phửực taùp, vỡ vaọy taỷi lửụùng caực chaỏt khớ naứy ủửụùc tớnh baống phửụng phaựp ủaựnh giaự nhanh cuỷa WHO. Theo phửụng phaựp ủaựnh giaự nhanh cuỷa Toồ chửực Y Teỏ Theỏ Giụựi (WHO) thỡ cửự 1 taỏn than ủem ủoỏt seừ phaựt sinh 9,0 Kg khớ NO2. Vaọy neỏu ủem ủoỏt 0,19 Kg than (tửụng ửựng vụựi Kg clinke) thỡ taỷi lửụùng khớ NO2 sinh ra seừ laứ: MNO2 = (9,0:1000) x 0,19 = 0,0017 Kg/Kg clinke ệụực tớnh taỷi lửụùng oõ nhieóm tửứ nhửừng nguoàn chớnh cuỷa nhaứ maựy xi maờng loứ ủửựng: STT Chaỏt oõ nhieóm Taỷi lửụùng oõ nhieómTaỏn/Taỏn clinke Taỷi lửụùng oõ nhieóm Taỏn/naờm 1 Buùi 0,013787 0,09909(*) 1058,8416 7610,112(*) 2 CO2 1,0847 86246,4 3 CO 0,000066 5,0688 4 NO2 0,00197 151,296 5 SO2 0,004014 308,27525 6 THC 0,00001 0,81485 C. Các phương pháp giảm thiểu ô nhiễm: 1. Giảm thiểu SO2: 1.1. Chuyển sang ding nhiên liệu có hàm lượng S thấp: a.Than đá có hàm lượng lưu huỳnh thấp b.Dầu có hàm lượng lưu huỳnh thấp c.Khí tự nhiên 1.2. Sử dụng than và dầu đã dược khử lưu huỳnh: a. Khử lưu huỳnh khỏi than đá: . Tuyển (rửa) nhờ trọng lực . Khí than hoá . Sản xuất nhiên liệu lỏng tổng hợp từ than b. Khử lưu huỳnh khỏi dầu 2. Giảm thiểu NOx: 2.1. Hạ thấp hệ số dư không khí: Hệ số thừa không khí càng lớn thì mức độ sinh NOx càng cao do nó làm cho nhiệt độ cũng như nồng độ oxy ở vùng sau đốt tăng. Duy trì hệ số dư không khí <10%. Điều này làm cho nhiệt độ cũng như nồng độ oxy sau đốt giảm. 2.2. Quay vòng sản phẩm khí cháy: Một phần sản phẩm cháy (10-20%) được đưa quay trở lại vùng cháy nhằm hạ nhiệt độ ngọn lửa và giảm lượng oxy dư. 2.3. Thực hiện quá trình cháy 2 giai đoạn ở giai đoạn 1 cấp khí dưới mức tình theo hệ số tỷ lượng. Tiếp đó ở giai đoạn 2 bổ sung khí ở nhiệt độ thấp để đốt cháy hết phần nhiên liệu còn lại. Mục đích là giảm nhiệt độ của quá trình cháy. 2.4. Chọn cấu tạo của buồng đốt thích hợp: Chẳng hạn, buồng đốt than dạng cyclone có mức phát thải NOx cao nên tránh dùng. 2.5. Hạn chế việc gia nhiệt khí trước đưa vào buồng đốt: Mục đích là giảm nhiệt độ của quá trình cháy. Bên cạnh việc áp dụng các biện pháp cải tiến công nghệ và giảm thải tại nguồn, chúng ta cần phải áp dụng các biện pháp xử lý khí ô nhiểmx thích hợp để làm giảm tải lượng ô nhiễm vào môi trường xung quanh. Phần 3 Thiết kế hệ thống xử lý khí thải cho nhà máy xi măng lò đứng Nhà máy xi măng lò đứng: Lưu lượng: 26000 m3/h Bụi : 3500 mg/m3 SO2 : 4000 mg/ m3 NOx : 3000 mg/ m3 I. Lựa chọn công nghệ: I.1. Xử lý bụi: Để xử lý bụi cho các nhà máy thì chúng ta có rất nhiều phương pháp. Sau đây là một số thiết bị xử lý bụi phổ biến trong các dây chuyền xử lý: I.1.1. Buồng lắng: Buồng lắng làm cho bụi lắng dưới tác dụng của trọng lực. Buồng lắng là một không gian hình hộp có tiết diện ngang lớn hơn nhiều lần so với tiết diện của đường ống dẫn khí vào và ra để cho vận tốc dòng khí bụi giảm xuống rất nhỏ khi đi vào buồng lắng. Nhờ thế hạt bụi có đủ thời gian để rơi xuống chạm đáy dưới tác dụng của trọng lực và bị giữ lại ở đó. Buồng lắng có ưu điểm là cấu tạo đơn giản, đầu tư thấp, dễ xây dựng bằng các vật liệu có sẵn nhưng với lưu lượng lớn thì buồng lắng sẽ rất cồng kềnh, chiếm nhiều không gian và chỉ tách được các hạt bụi lớn. I.1.2. Thiết bị tách bụi bằng lực tĩnh điện: (ESP) Thiết bị tách bụi bằng lực tĩnh điện tách bụi nhờ lực tĩnh điện. Thiết bị có khả năng tách được các hạt bụi mịn, đạt hiệu suất cao nhưng thiết bị chỉ lamf việc tốt với loại bụi rắn có điện trở suất trung bình, trong khoảng 107 đến 2.1010. Ngoài ra, trang thiết bị tốn kém, hoạt động đòi hỏi rất nhiều năng lượng. I.1.3.Thiết bị tách bụi bằng vật liệu lọc: Dòng khí bụi được đưa qua một môi trường xốp, bụi được giữ lại phía trên hoặc phía trong thể tích của các môi trường xốp do tác dụng của các lực khuếch tán, quán tính… và được tách ra khỏi dòng khí. Thiết bị tách bụi bằng vật liệu lọc có khả năng tách được bụi có kích thước nhỏ, hiệu suất tách bụi cao. Tuy nhiên không thích hợp với bụi có độ ẩm cao, hiệu suất tách bụi phụ thuộc nhiều vào vật liệu lọc, nếu tái sinh không tốt có thể gây tác cho từng bộ phận, đầu tư cho vật liệu lọc khá tốn kém. I.1.4. Cyclon Cyclon tách bụi nhờ tác dụng của lực ly tâm. Gia thành đầu tư thấp, cấu tạo đơn giản dễ vận hành, chi phí bảo dưỡng thấp, có khả năng làm việc liên tục, có thể chế tạo bằng nhiều loại vật liệu khác nhau. Tuy nhiên cyclone đạt hiệu suất tách bụi thấp với bụi có d<5m. I.1.5. Thiết bị tách bụi ướt Tạo ra sự tiếp xúc giữa dòng khí bụi và chất lỏng, bụi trong dòng khí bị chất lỏng giữ lại và được thải ra ngoài dưới dạng bùn cặn. Thiết bị có khả năng xử lý đồng thời cả khí lẫn bụi, có hiệu suất tách bụi cao đối với bụi có kích thước nhỏ, có thể vận hành ở nhiệt độ cao, không có hiện tượng bụi quay lại. I.2. Xử lý NOx: Công nghệ khử xúc tác chọn lọc xử lý NOx sử dụng chất xúc tác và tác nhân khử NH3 ở nhiệt độ cao. Với chất xúc tác có chứa V2O5 thông dụng hiện nay, nhiệt độ làm việc của quá trình thường từ 300-4500C . Phản ứng quan trọng trong quá trình là phản ứng khử chọn lọc giữa NH3 và NOx tạo thành N2 và nước trên bề mặt xúc tác. Ngoài ra trong dòng khí có mặt nhiều chất khí khác nên còn có nhiều phản ứng phụ có thể làm ảnh hưởng tới hiệu suất khử NOx và các thông số hoạt động của quá trình như oxy hoá NH3 oxy hoá SO2 thành SO3 Phản ứng khử chọn lọc: 4NO + 4NH3 + O2 = 4N2 + 6H2O 2NO + 4NH3 + O2 = 3N2 + 6H2O Các phản ứng phụ Oxy hoá NH3: 4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O 4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O Oxy hoá SO2: SO2 + 1/2O2 = SO3 Tạo muối amôn SO3 + NH3 +H2O = NH4HSO4 SO3 + 2NH3 +H2O = (NH4)2SO4 I.3. Xử lý SO2: I.3.1.Trộn thêm đá vôi (CaCO3) vào nhiên liệu trước khi đôt trong lò tầng sôi Đá vôi được trộn với than đá trước khi đốt. SO2 được tạo thành trong quá trình đốt phản ứng trực tiếp với đá vôi tạo Canxi sunfat. Phương pháp này có hiệu suất cao nhưng tỉ lệ giứa đá vôi và than đá đạt 1/4 trong khi hàm lượng S trong than đá chỉ khoảng 3%. Do đó lượng chất thải rắn phát sinh lớn. I.3.2.Hấp thụ bằng sữa vôi Dùng dịch sữa vôi hấp thụ khí SO2 trong khí thải theo phưong trình phản ứng tổng hợp sau: Ca(OH)2 + SO2 CaSO3 + H2O Phương pháp này đơn giản, rẻ tiền. I.3.3.Hấp thụ bằng sữa vôi kết hợp với MgSO4 Thực chất quá trình hấp thụ được thực hiện bởi MgSO3 .Tiếp đó, MgSO3 được tái sinh nhờ thực hiện kết tủa Canxi sunfat ở bể phía ngoài tháp hấp thụ. Phương pháp này có thể tránh được cặn đọng, tuy nhiên yêu cầu phải xử lý bụi với mức độ cao trước khi xử lý SO2. I.3.4.Hấp thụ bằng dịch Mg(OH)2. Tương tự như phương pháp dùng Ca(OH)2. MgO được tái sinh nên hạn chế được vấn đề chất thải rắn. Tuy nhiên tốn năng lượng cho quá trình tái sinh này. I.3.5.Hấp thụ bằng dung dịch kiềm hoặc amoni Dung dịch hấp thụ là Na+ hoặc NH4OH. Sau hoàn nguyên có thể sử dụng SO2 để sản xuất H2SO4. Tuy nhiên, tạo ra sản phẩm phụ không mong muốn là Na2SO4 và (NH4)2SO4. Như vậy, qua các thiết bị xử lý đã nêu, ta sử dụng cyclone để xử lý bụi ở giai đoạn đầu sau đó kết hợp với các thiết bị tách bụi ướt ở giai đoạn sau để có thể giảm lượng bụi thoát ra ngoài đạt tiêu chuẩn cho phép. Cyclone tổ hợp không thích hợp cho xử lý bụi nhà máy xi măng vì bụi này có độ kết dính cao. Do đó, lựa chọn xử lý bụi băng cyclone đơn. Sau xử lý bụi, nhiệt độ dòng khí thải vẫn đạt trên 3700C. Do đó đảm cho việc xử lý NOx bằng khử xúc tác chọn lọc NH3. Cuối cùng là công đoạn xử lý SO2 bằng sữa vôi. Phương pháp này rẻ tiền và tận dụng được nguồn nguyên liệu có sẵn, hiệu suất hấp thụ cao, có khả năng xử lý lượng bụi còn lại. II.Tính toán thiết kế xyclon I.1.Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của xyclon Khả năng tách bụi của xyclon là do lực ly tâm tác dụng lên hạt bụi. Khi dòng khí đi vào thiết bị hình trụ theo phương tiếp tuyến, dòng khí chuyển động xoáy ốc bên trong thiết bị, làm cho các hạt bụi văng về phía thành xyclon. Dưới tác dụng của lực trọng trường, các hạt bụi này rơi xuống đáy xyclon. Như vậy bụi được tách ra khỏi dòng khí. Dòng khí va vào đáy thiết bị, giữ nguyên chuyển động xoáy và đi theo đường ống trung tâm ra ngoài. Lực ly tâm được tính theo công thức: Trong đó: v- vận tốc dài m- khối lượng hạt r- bán kính quỹ đạo Cấu tạo của xyclon được minh hoạ trên hình vẽ. I.2.Tính toán xyclon Dựa vào hiệu suất tách bụi của xyclon đối với chế độ chảy rối của dòng khí: Trong đó: Hiệu suất tách bụi kích thước d Số dòng xoắn mà dòng khí chuyển động trong xyclon Chọn n =5 vc- Vận tốc dài của bụi(bằng vận tốc dòng khí vào) Tỉ khối bụi =2,9.103(kg/m3) - Độ nhớt của khí = 1,8.10-5(kg/m.s) Wi- Chiều rộng cửa vào của xyclon Mặt khác ta có: Scửa vào.vc = Q 2Wvc = Q ==17.8 (m3/s) vc = Thay các giá trị trên vào công thức tính hiệu suất, ta được biểu thức quan hệ giữa Wi, d và =1- exp Hay Wi = Cho một số giá trị hiệu suất cần đạt và giá trị kích thước bụi, tính giá trị của Wi ta được bảng sau d(m) 0.000005 0.00001 0.000015 0.00002 0.000025 0.00003 0.4 0.5 0.79 1.03 1.25 1.45 1.64 0.45 0.47 0.75 0.98 1.19 1.38 1.56 0.5 0.45 0.71 0.93 1.13 1.31 1.48 0.55 0.43 0.68 0.89 1.08 1.25 1.41 0.6 0.41 0.65 0.85 1.03 1.19 1.35 0.65 0.39 0.62 0.81 0.98 1.14 1.29 0.7 0.37 0.59 0.78 0.94 1.09 1.23 0.75 0.36 0.57 0.74 0.9 1.04 1.18 0.8 0.34 0.54 0.7 0.85 0.99 1.12 0.85 0.32 0.51 0.67 0.81 0.94 1.06 0.9 0.3 0.48 0.63 0.76 0.88 0.99 0.95 0.28 0.44 0.57 0.69 0.81 0.91 Bảng:chiều rộng cửa vào xyclon Từ kích thứớc thu được, tính lại hiệu suất thu bụi của xyclon với các loại bụi của nhà máy xi măng (bảng trang sau), qua đó lựa chọn vận tốc và kích thước cửa vào tối ưu ta được kết quả: vc = 15,8(m/s) = 0,61 Wi = 0,75 (m) Từ đó ta có các kích thước của xyclon : Wi = 0,75 (m) H = 1,5 (m) H1 = 6 (m) H2 = 6 (m) De = 3 (m) S = 1.5 (m) dd = 0,75 (m) III.Tính toán thiết bị khử xúc tác chọn lọc bằng NH3 với xúc tác Vanadi III.1.Cơ sở của quá trình khử xúc tác chọn lọc: III.1.1. Các phản ứng khử: Công nghệ khử xúc tác chọn lọc xử lý NOx sử dụng chất xúc tác và tác nhân khử NH3 ở nhiệt độ cao. Với chất xúc tác có chứa V2O5 thông dụng hiện nay, nhiệt độ làm việc của quá trình thường từ 300-4500C . Phản ứng quan trọng trong quá trình là phản ứng khử chọn lọc giữa NH3 và NOx tạo thành N2 và nước trên bề mặt xúc tác. Ngoài ra trong dòng khí có mặt nhiều chất khí khác nên còn có nhiều phản ứng phụ có thể làm ảnh hưởng tới hiệu suất khử NOx và các thông số hoạt động của quá trình như oxy hoá NH3 oxy hoá SO2 thành SO3 Phản ứng khử chọn lọc: 4NO + 4NH3 + O2 = 4N2 + 6H2O 2NO + 4NH3 + O2 = 3N2 + 6H2O Các phản ứng phụ Oxy hoá NH3: 4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O 4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O Oxy hoá SO2: SO2 + 1/2O2 = SO3 Tạo muối amôn SO3 + NH3 +H2O = NH4HSO4 SO3 + 2NH3 +H2O = (NH4)2SO4 Quá trình khử chọn NOx chủ yếu thông qua phản ứng khử NO vì thành phần khí thải lò đốt công nghiệp NO2 chỉ chiếm một lượng nhỏ từ 5-10% lượng NOx Phản ứng oxy hoá NH3 được quan tâm bởi nó dẫn đến tổn thất NH3 làm giảm hiệu suất khử NOx nói chung của quá trình vì sản phẩm phản ứng có một phần NO, SO3 có mặt trong khí thải có thể phản ứng với NH3 tạo ra các muối amôn dạng bụi mịn có thể làm tắc và bao phủ bề mặt xúc tác cũng như lắng đọng hoặc ăn mòn các bộ phận phía sau dòng. Do đó việc ngăn chặn hoặc giảm bớt các phản ứng phụ trên là một trong những vấn đề được quan tâm nhất trong xử lý NOx bằng phương pháp khử xúc tác với NH3 nhằm đạt hiệu suất khử NOx mà không làm gây trở ngại tới các thiết bị khác. III.1.2.Phản ứng chọn lọc: NH3 hấp phụ mạnh trên bề mặt xúc tác phản ứng với NO trong pha khí tạo thành phức chất và sau đó bị phân huỷ thành N2 và hơi nước theo dạng cơ chế động học xúc tác Eley-Rideal. vai trò của oxy là tái tạo trung tâm hoạt tính V=O từ dạng V- OH trên xúc tác. Nồng độ oxy trong khí thải lớn hơn 2% hầu như không ảnh hưởng tới tốc độ phản ứng khử lựa chọn oxy, ảnh hưởng của oxy chỉ đáng kể từ dưới 1%. Trong điều kiện thực tế thành phần oxy dư trong không khí thải đốt nhiên liệu thường cao trên dưới 4% nên quá trình khử xúc tác chọn lọc được coi là không chịu ảnh hưởng bởi nồng độ oxy. Cơ chế Eley-Rideal đã được chấp nhận sử dụng trong rất nhiều nghiên cứu hoạt tính xúc tác và mô phỏng thiết bị SCR cho thấy sự p